-
Anordnung zum Schweißen mit Schutzgas Bei .der Lichtbogenschweißung
von Eisen, Metallen, insbesondere von Aluminium, von Metalllegierungen und ähnlichen
Werkstoffen sowie nichtrostendem Werkstoff benutzt man ein Verfahren, bei dem .die
Schweißwärme in einem Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer Wolframelektrode
im Beisein eines Schutzgases, vorzugsweise Argon oder Helium, erzeugt wird. Hierbei
wird, außer bei geringen Abmessungen der Werkstücke, ein zusätzlicher Elektrodendraht
verwendet, der in den Lichtbogen eingeführt wird. Der Lichtbogen wird gewöhnlich
mit Wechselstrom gespeist, wenigstens beim Schweißen von Aluminium und ähnlichem
Werkstoff sowie bei kleineren Werkstücken aus nichtrostendem Werkstoff. Die bisher
verwendeten Lichtbogenschweißtransformatoren sind gewöhnlich Streufeldtransformatoren
oder solche mit Drosselspulen zwecks Erzielung einer Stromreglung und geeigneten
Strom-Spannungs-Charakteristik.
-
Beim Schweißen mit den bekannten Transformatoren entsteht besonders
bei Aluminium ein gewisser Gleichrichtungseffekt infolge der unterschiedlichen Fähigkeit
des Wolframs und Aluminiums, Elektronen abzugeben. Die Wolframelektrode nimmt eine
wesentlich höhere Temperatur an als das Werkstück aus Aluminium und gibt schon aus
diesem Grund leichter Elektronen ab. Hinzu kommt, daß Wolfram einen geringeren Kathodenspannungsabfall
als Aluminium bedingt. Diese Umstände bewirken, daß eine in ihrer positiven und
negativen
Halbwelle unausgeglichene Stromwelle erhalten wird. An
dem Lichtbogen liegt eine Gleichspannung mit Pluspol an der Elektrode.
-
In dem Schweißstromkreis muß eine Anordnung zur Zündung des Lichtbogens
mittels eines hochgespannten Funkens für jede Halbwelle vorhanden sein.. Der an
dem induktiven Stromkreis hierbei entstehende Einschaltstromstoß vergrößert, wie
im folgenden dargelegt wird, den Gledchrichtungseffekt weiter, wodurch besonders
ungünstige Schweißergebnisse erhalten werden.
-
Die durch die kräftige Gleichrichtung bei den bekannten Anordnungen
entstehenden: Nachteile äußern sich vor allem darin, daß die bei positiver-Elektrode
erzielte Entoxydierung des Aluminiums Mark vermindert wird oder ganz ausbleiben
kann. Die Schmelze wird dann von .einer Oxydschicht bedeckt, und das Zusammenfließen
wie auch die Zuführung von Zusatzmaterial werden erschwert. Auch die Lichtbogenleistung
sinkt hierbei, und die .kräftige Gleichrichtung verursacht einen hohen Magnetisierungsstrom
im Transformator. Die Steigerung des Magnetisierungsstromes bedingt, daß bei normalen
Transformatoren die Stromentnahme auf etwa 70 °/o des Nennwertes; gesenkt
werden muß, um den Transformator gegen Übererwärmung zu schützen.
-
Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, wurde vorgeschlagen, auf verschiedene
Weise' dem Schweißstromkreis eine gegen die Gleichspannung des Lichtbogens gerichtete
Spannung zuzuführen. Hierbei sind Akkumulatoren oder Kondensatoren verwendet worden.
Diese Hilfsmittel konnten die erwähnten Nachteile bei allen von ein und demselben
Transformator entnommenen Schweißstromstärken nicht ganz beseitigen, oder sie waren
zu -teuer.
-
Die Erfindung bezweckt, einen verbesserten Ausgleich zwischen den--pösitiven
und-negativen Halbwellen bei einer Anordnung für Schutzgasschweißung zu erreichen,
die aus einem Transformator, Stromregelorgan, Zündvorrichtung und Schweißelektrode
besteht. Das Kennzeichnende der Erfindung ist, daß der verwendete Transformator
, ein normaler Starkstromtransformator mit geringer Streureaktanz ist und daß der
Stromreglung ein im wesentlichen Ohmscher Widerstand dient.
-
In der Zeichnung zeigt das Schaubild in Fig. z den ungünstigen .Stromverlauf,
der bei bekannten Anordnungen mit induktivem Schweißstromkreis erhalten wird; Fig.
2 zeigt ein entsprechendes Schaubild, das die Anordnung nach der Erfindung darstellt,
und in Fig. 3 i"st ein Schaltbild für die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt.
-
In Fig. z bezeichnet die gestrichelte Sinuslinie i die Spannung zwischen
der .Elektrode und dem Werkstück .und die ausgezogene Kurve 2 die mit Rücksicht
auf die Induktivität des Stromkreises phasenverschobene Stromkurve. Die mit der
AbszissenachGe parallelen strichpunktierten Geraden 3 und ¢ bezeichnen die niedrigsten
Spannungen, die bei positiver bzw. negativer Elektrode für das' Brennen des Lichtbogens
erforderlich sind, die also aufgebracht werden müssen, damit der Lichtbogen zündet.
Zufolge der Eigenschaft der Wolframelektrode, leichter Elektronen zu emittieren
als Aluminium, und wegen des geringen Kathodenspannungsabfalles, des Wolframs wird
die erforderliche Mindestbogenspännung bei positiver Elektrode (Gerade 3) größer
als bei negativer Elektrode (Gerade 4).
-
Beim, Einschalten eines induktiven Stromkreises entsteht nach Fig.
a ein Verlauf; bei dem in jedem Einschaltzeitpunkt, außer im synchronen, ein Einschaltstromstoß
entsteht, der positiv ist, also eine Stromerhöhung gegenüber dem Strom bei synchroner
Einschaltung ergibt, wenn die Einschaltung vor dem Zeitpunkt geschieht, der dem
synchronen entspricht. Erfolgt jedoch die Einschaltung nach dem :genannten Zeitpunkt,
erhält man einen negativen Stromstoß. Die Zündung des Lichtbogens für jede neue
Halbperiode kann natürlich nicht erfolgen, bevor der Lichtbogen in der vorhergehenden
erloschen und die erforderliche Lichtbogenspannüng wieder vorhanden ist. Nach einigen
Halbperioden hat sich -der Einschwingvorgang stabilisiert.
-
Wie aus der Figur hervorgeht, ist .die Elektrode kürzere Zeit positiv
als negativ. Der Zeitpunktfür die Zündung liegt dadurch generell näher dem synchronen
für d ie Zündung bei positiven Halbperioden als bei negativen. Der Einschaltstromstoß
wird also weniger positiv oder sogar negativ in den positiven Halbperioden im Gegensatz
zu dem Verhalten bei negativen Halbperioden, wo er immer positiv wird, d. h. die
Amplitude vergrößert.
-
Wird der Zeitpunkt für eine positive Halbperiode verzögert, so wird
einmal der Effektivwert dieser Halbperiode verringert und zum andern der Lichtbogen
früher. zum Erlöschen gebracht. Hieraus folgt, däß der Lichtbogen bei der folgenden
negativen Halbperiode früher zündet, wodurch ihr _ Effektivwert weiter erhöht wird.
-
Bei Fig. z wurde angenommen, daß .die Zündung des Lichtbogens erfolgte,
sobald eine.-genügend hohe Spannung verfügbar ist. Der während der ersten Halbperiode
gezündete Lichtbogen brennt, solange eine hinreichende Spannung da ist, er .erlischt
also bei einer Spannung unterhalb der Geraden 3: Die Wiederzündung kann unmittelbar
nach .dem Stromnulldurchgang erfolgen, sobald .eine zureichende Spannung verfügbar
ist. Nach der vierten Halbperiode ist der Vorgang stabilisiert. Die Figur zeigt
also, daß der Gleichrichtungseffekt sich erhöht hat. Besonders beim Schweißen von
Material mit größeren Abmessungen und vor allem, wenn hierbei mit großer Lichtbögenlänge
gearbeitet wird, kann die gesteigerte Gleichrichtung durch die ungünstige Verschiebung
des Zeitpunktes für die Einschaltung zur Folge haben, daß die Zündung in Iden positiven
Halbperioden ganz ausbleibt.
-
Aus Fig. r geht auch deutlich eine weitere ungünstige Wirkung einer
solchen Anordnung hervor. Da der Strom nach der Zündung einer Sinüskurve folgt,
wächst er bei positiven Halbperioden verhältnismäßig langsam, was,die Unsicherheit
für die
Zündung erhöht und bewirkt, daß sie zuweilen ganz ausbleibt.
-
Eine Berechnung des in Fig. i dargestellten Verlaufs ergibt, daß nach
dem Eintreten der Stabilität die negativen Halbperioden einen Effektivwert haben,
der etwa 20% höher als der der positiven liegt. Diese ungünstige Erscheinung tritt
in der Praxis noch deutlicher hervor infolge der :größeren Schwierigkeit, die positiven
Halbperioden zu zünden. Die geschilderten Umstände tragen also :dazu bei, daß der
Transformator einer unerwünschten Gleichstromerregung ausgesetzt wird.
-
In Fig. 2 wird ein der Fig. i entsprechender Verlauf dargestellt,
der :durch eine Anordnung nach der Erfindung erzielt wird. Das zugehörige Schaltbild
ist in Fig. 3 angegeben, in dem i i den Schweißtransformator bezeichnet, der erfindungsgemäß
ein normaler Starkstromtransformator mit geringer Streureaktanz ist. Die Sekundärwicklung
des Transformators speist über einen'Ohmschen Regelwiderstand 12 und eine Hochfrequenzzündvorrichtung
13 die Elektrode 1q.. Diese letztere besteht zweckmäßig-erweise aus Wolfram. Der
gegen das Werkstück 15 gerichtete Lichtbogen soll in an sich bekannter Weise in
Anwesenheit von einem Schutzgas brennen. Die Zündung :des Lichtbogens erfolgt durch
Impulse von der Hochfrequenzvorrichtung 13; der Hochfrequenzkreis wird über den
Kondensator 16 geschlossen.
-
Aus Fig. 2 geht das erheblich verbesserte Gleichgewicht zwischen der
positiven und negativen Halbperiode hervor, was dadurch zustande kommt, daß der
Schweißstromkreis die geringstmögliche Reaktanz enthält, so daß Strom und Spannung
in Phase liegen. Die Spannungskurve ist wie zuvor mit i und die in Phase liegende
Stromkurve mit 2 bezeichnet. Die geringste Spannung für die Zündung des Lichtbogens
bei positiver und negativer Elektrode ist wieder durch die Geraden 3 bzw. q. gekennzeichnet.
Bei 5 sieht man, wie der Strom bei der Zündung unmittelbar auf einen der Spannung
entsprechenden Mornentanwert steigt. Bei 6 erlischt der Lichtbogen, zündet aber
wieder bei 7, wenn die L ichtbogenspannung den Mindestwert gemäß der Geraden q.
erreicht. Diese steile Stromzunahme bei der Zündung für jede Halbperiode erhöht
die Zündsicherheit und die Stabilität des Lichtbogens während der ersten unsicheren
Augenblicke in jeder Halbperiode. Die natürliche Gleichrichtung im Lichtbogen gibt
indem im wesentlichen aus Ohmschen Widerständen bestehenden Schweißstromkreis Anlaß
zu einem Spannungsabfall, der die Gleichstromkomponente im Gegensatz zu den Verhältnissen
bei bekannten Arten von Lichtbogenschweißtransformatoren verkleinert. Wird bei der
erfindungsgemäßen Anordnung eine Leerlaufspannung gewählt, die wenigstens 2,5 mal
und höchstens 5 mal größer ist als die Lichtbogenspannung oder den maximal zulässigen
Wert nach den gegenwärtigen Normen erreicht hat, so erreicht man an Stelle des bei
normalen Transformatoren unvermeidlichen, beträchtlichen Gleichstromes nur einen
unbedeutenden Gleichrichtungseffekt.
-
Wie aus der Beschreibung hervorgeht, verursacht der induktive Widerstand
eine Verstärkung des Gleichrichtungseffektes. Eine gewisse Gleichrichtung kann bei
der Schweißung jedoch zugelassen werden, so daß der Schweißstromkreis auch Induktivitäten
gewisser Größe enthalten kann. Natürlich wird dann der Gleichrichtungseffekt größer,
als wenn der Schweißstromkreis im wesentlichen aus Ohmschen Widerständen besteht.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß eine gewisse Induktivität im Stromkreis zugelassen
werden kann.
-
Durch die Erfindung erreicht man außer :den genannten Vorteilen, daß
der Lichtbogen leicht auf eine gewünschte Länge auseinandergezogen werden kann,
ohne daß die Zündung aussetzt, und daß .die Oxydierung des Werkstückes in weitgehendem
Maß verhindert oder beseitigt wird.